Le développement de stratégies de combustion innovantes est nécessaire aujourd’hui pour répondre aux réglementations de plus en plus intransigeantes qui fixent les seuils d’émissions polluantes par les véhicules neufs. Parmi ces stratégies, l’approche Dual Fuel a montré un fort potentiel dans la réduction des émissions tout en maintenant des niveaux de rendement élevés. Le concept Dual Fuel est fondé sur la formation d’un mélange homogène d’air et d’un carburant volatile (essence, méthane, éthanol...) allumé par une injection directe d’un carburant à fort cétane (de type gazole) dans la chambre de combustion. Une compréhension détaillée des différents processus de combustion est primordiale pour aider au développement des stratégies Dual Fuel concrètes. Dans ce contexte, le développement d’un modèle adapté, couplé à des mesures expérimentales réalisées sur moteur optique, est indispensable pour optimiser la combustion Dual Fuel. Une étude numérique, fondée sur le couplage d’un modèle de combustion turbulente dédié à la propagation de flamme dans des milieux stratifiés (ECFM3Z) et un modèle de chimie tabulée pour la prédiction de l’auto-inflammation (TKI), a été menée afin d’évaluer la capacité des modèles existants à prédire les différents régimes de combustion qui pourraient exister dans les stratégies Dual Fuel. Des critères de transition ont été ajoutés et évalués afin d’améliorer le couplage des deux modèles et d’assurer la transition entre l’auto-inflammation et la propagation de flamme. D’autre part, l’étude expérimentale sur un moteur à accès optiques a permis d’étudier des variations de richesse, de carburant de prémélange et de taux de dilution et de caractériser de manière fine les mécanismes de la combustion Dual Fuel afin de servir de base de données aux développements de modèles CFD. / Advanced combustion strategies are required in response to increasingly stringent worldwide regulations governing exhaust gas emissions in the transport sector. Among these strategies, the Dual Fuel approach has shown potential to reduce engine-out pollutant emissions without penalizing combustion efficiency. The Dual Fuel concept relies on the formation of a homogeneous mixture of air with a highly volatile fuel (gasoline, methane, ethanol...) which is ignited by direct injection of a high-cetane fuel (Diesel fuel) in the combustion chamber. An improved understanding of the underlying physical phenomena and a detailed insight of the predominant combustion regime(s) are required in order to advance the development of the Dual Fuel combustion strategies. In this context, numerical modeling and optical engine measurements are combined to investigate Dual Fuel combustion. A numerical study, based on the coupling between a turbulent combustion model for flame propagation in stratified mixtures (ECFM3Z) and a tabulated kinetics model for auto-ignition (TKI), was conducted to evaluate the capacity of the existing models to cope with the various combustion regimes that might exist in Duel Fuel combustion strategies. Transition criteria were added and evaluated in order to improve the coupling between the two models and to better predict the transitions between auto-ignition and flame propagation. In addition, an experimental investigation, including equivalence ratio, premixed fuel and dilution variations, was performed in an optical engine. The objective was to apply advanced optical diagnostic techniques to thoroughly characterize the Dual Fuel combustion process and thus enhancing CFD model developments.

Lors d’essais de feux d’hydrocarbures liquides dans le dispositif DIVA de l’IRSN, un phénomène oscillatoire basse-fréquence (BF), a été observé. Ce phénomène se manifeste par des fluctuations importantes de la pression dans le local, qui peuvent conduire à une perte de confinement et ainsi favoriser la propagation du feu et le rejet de polluants au-delà du local. Il s’accompagne de déplacements intermittents de la flamme hors du bac. L’étude fine de ce phénomène oscillatoire a tout d’abord consisté à concevoir une maquette à l’échelle 1:4 du dispositif DIVA dans lequel nous avons fait varier différents paramètres. L’analyse des résultats obtenus nous a permis d’identifier différents régimes de combustion, de décrire les mécanismes responsables de l’apparition des oscillations BF et de caractériser les propriétés de ces oscillations (fréquence et amplitude). L’occurrence et la persistance des oscillations BF dépendent essentiellement de l’équilibre, plus ou moins précaire, entre la quantité d’air disponible pour la combustion et le débit d’évaporation du combustible résultant des flux thermiques reçus à sa surface. Une étude numérique exploratoire utilisant le code CFD SAFIR a été ensuite conduite en utilisant le débit d’évaporation mesuré expérimentalement, puis en le calculant à l’aide d’un modèle d’évaporation. Si le code ne permet pas de décrire correctement le déplacement de la flamme hors du bac, il reproduit de façon satisfaisante le comportement oscillatoire BF du feu, en particulier sa fréquence dominante. / During liquid hydrocarbon fire tests in the DIVA device of IRSN, a low-frequency (LF) oscillatory phenomenon, was observed. This phenomenon manifests itself by large variations of the average pressure in the room, which can lead to a loss of confinement and thus promote the spread of fire and the release of pollutants beyond the local. It is accompanied by intermittent displacements of the flame outside the fuel pan. The fine study of this phenomenon consisted in designing a 1:4 scale model of the DIVA device, allowing us to carry out a very large number of tests, varying some parameters. The analysis of the results obtained allowed us to identify different combustion regimes, to describe the mechanisms responsible for the appearance of the LF oscillations, and to characterize the properties of these oscillations (frequency and amplitude). The occurrence and persistence of LF oscillations essentially depend on the precarious equilibrium between the supply of fresh air and the supply of fuel vapors which results from the heat flux received at its surface. An exploratory numerical study using the CFD code SAFIR was then conducted using both the experimentally measured evaporation rate and that calculated using an evaporation model. The model does not correctly describe the displacements of the flame outside the fuel pan. However, it satisfactorily reproduces the LF oscillatory fire behavior, especially its dominant frequency.